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关于平衡阀的应用
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 一、平衡阀

       平衡阀正确地理解应为水力工况平衡用阀。从这一观念出发一切用于水力工况平衡的阀门如调节阀、减压阀、自力式流量控制阀、自力式压差控制阀都应看成水力工况平衡用阀——平衡阀。而市场上称为平衡阀的产品,仅是附加了流量测试功能的一种手动调节阀。 

  静态平衡阀是指手动调节阀或手动平衡阀。动态平衡阀是指自力式流量控制阀和自力式压差控制阀。自力式流量控制阀也曾称作自力式流量控制器、自力式平衡阀。自力式压差控制阀在北欧也称为Automotic Balamce Valve即自动平衡阀。 

    二、水力工况和水力工况平衡 

  一般地说供热、空调的管网都是闭路循环的管网,其水力工况是指系统各点的压力,各管段的流量、压差。由公式△P=SG2 

  △P——压差或称阻力损失 

  S——管段或系统的阻力系数 

  G——管段或系统的流量 

  可知,流量和压力是相关参数,流量和压力的调控互为手段和目的。减压手段是减少上游管路的流量;减少流量也必湎是减少管路前点的压力或增加管路后点的压力。流量变化必然导致压力的变化;S值不变的系统,压差的变化必然起因于流量的改变。因此说没有一咱不影响压力的流量控制阀,也没有一种不影响流量的压力控制阀。 

  水力工况平衡是指流理的合理分配。在供热和空调管网中,水是热载体介质,水流量的合理分配是热力工况平衡的基础。以供热系统为例,设计者在进行水力工况计算时在各分支流量为设计值的假想情况下进行的。由于管材及最高流速成的限制,设计上实现水力平衡几乎是不可能的。这样势必造成近端阻力系数不能达到设计理想状态,形成近端流量过大,远端流量不足的失调现象。 

  由于水力工况设计成了一个设计水压图,而实际运行时这一水压图必须由阀门平衡调节而形成。用阀门调节水力工况的过程是建立合理水压图的过程,在设计合理的情况下,这两个水压图会会合得很好。



  由于运行水力工况是水泵的工作曲线与外网特性曲线交点形成的。 

  对于外网特性曲线△P=SG2,由于并联的近端支路S值会小于设计值,造成总S值远小于设计值,循环水泵在小扬程大流量工况下运行,使水泵在大轴功率,低效率点运行。严重时可能出现轴功率大于电机铭牌功率,电机超额定电流,直至烧电机事故发生。 

  调网的过程就是用平衡阀增加近端阻力,使近端支路S值增大至设计值,总S值增大至设计值。使远近流量分配均匀合理,循环水泵在设计工况下运行,达到节热、节电,提高供热质量的目的。 

  运行岗们工作者常对一些水力工况失衡现象形成误解: 

  (1)水泵出力不足,水泵实际扬程小于铭牌扬程,导致辞末端过不去水。 

   实际上是由于近端支线阻力小、流量大,造成远端流量小,水泵工作点偏移在大流量、小扬程、低效率的工作点。 

  (2)锅炉或换热器阻力大,所有锅炉或换热器厂商标称阻力都远小于实际阻力。 

  实际上总循环水量的加大必然导致辞锅炉换热器等阻力加大。水流量增大40%,阻力增加100%。 

  (3)锅炉出力不足 

  实际上流量加大后供回水温差不可能更大。当然煤质和风系统不正常也可能造成锅炉出力问题。 

    三、调网水压图分析和平衡阀的安装位置 

  调网的过程是利用平衡阀使各分支达到合理流量的过程。近端资用压头大于用户需用压头必然导致流量过大。必须用阀门消耗富裕压头富裕压头=资用压头-需用压头) 



  图二示意用户阀门及各压力点,如果用户供水管安装平衡阀调网,则P3近似等于P4,P2压力线如图三所示,近乎平行P4。如果用户回水管安装平衡阀调网,则P2近似等于P1,P3压力线近乎平行P1。 

  户内实际供水压力为P2,回水压力为P3。如果压力过低会导致运行倒空,压力过高导致耐压等级较低的元件(如散热器)的压力破坏。 



  因此对地形高差大的管网应按上述因素考虑平衡阀的安装位置。即在地形低洼处楼群平衡阀宜安装于供水,以保证户内不起压;在地形较高位置平衡阀宜安装于回水,以保证用户不倒空。 

  对于大型直联管网,如电厂凝汽供热管网,供热半径很大,外网供回水压差很大,因此对平衡阀安装位置应作特殊考虑。 



  烟台某电厂凝汽供管网外网供回水压差52米水柱,考虑散热器耐压能力,末端回水压力设定为0.35MPa(35米水柱),前端回水压力仅为0.1MPa(10米水柱),而前端供水压力高达0.62MPa(62米水柱),如果平衡阀安装在回水管上,被控用户的回水压力P3可能接近0.6MPa,必将造成散热器的压力破坏;如果平衡阀安装于供水管上,近端用户的供水压力P2只有十几米水柱必然导致运行倒空。因此从设计上应采取供回水都安装平衡阀的方案,形成图四的水压图。 

  具体作法是入户口供水管安装自力式流量控制阀,在地形高差不超出10米的建筑群的分支回水管上安装手动的平衡阀。这里自力式流量控制阀负责控制分配流量;手动平衡阀调整压力,使阀前压力达到0.25MPa的满水运行工况。自力式流量控制阀只依据流量大小“肓目”控制压力,如果安装回水管上,不待手动调整压力,已经出现压力破坏事故。自力阀安装在供水未手动调整压力时,可能出现运行倒空而影响供热效果,不可能发生事故。 

    四、用户主动变流量和热源主动变流量的概念 

  对于供热系统在传统的供热体制下是一种平均分配的供热模式,这种供热模式一般采取定流量的质调节供热方式。也有少数大型管网出于节约运行电能的目的,采取质量并调方式。但在平均代热的前提下,流理的变化仅决定于室外气温变化,因此其控制方式,仅考虑采用室外温度单一参数控制热源循环泵的转速,实现变流量运行。这种变流量运可定义为热源主动变流量方式。 

  在热计量收费的运行方式下,供热负荷及循环水流量的变化取决于用户需求,系统总循环流量的变化决定于用户的变化,这种变流量机制可定义为用户主动变流量方式。 

  有一些业内人士提出计量收费的室内系统采用水平跨越管式系统,企图沿用定流量方式运行,这里估且不论水平跨越是否可实现流量运行,单就定流量运行方式浪费运行电能这一项就应予以废止。 

  这种计量收费流量控制方案,以下述方案为最佳可行方案:取3—5个末端供回水压差信号为热循环流量的控制信号,当全部压差信号都大于设定值时循环水泵降低转速,当任意一个压差小于设定值时,循环水泵增加转速。 

    五、平衡阀的性能与用途 

    1、手动平衡阀 

  手动平衡阀具有造价低,元件使用权用寿命长等优点,对支路不多的小型管网也可方便进行水力工况平衡。对于热源主动变量管网只能采用手动平衡阀,因为只有手动平衡阀才能保证流量的一致等比变化,而一切自力式平衡阀都不能保证热源主动流量运行。如前述大型直联管网手动平衡阀可用于压力工况的调整。 

    1.1手动平衡阀的特性曲线 



    1)截止阀特性曲线 

    2)线性特性阀实际工作曲线(阀权度0.2) 

    3)线性特性 

    4)等百分比特性曲线 

  阀门特性曲线决定了阀门的调节性能,如截止阀的流量曲线,如果认为95%—100%之间的流量变化是没有意义的,那么开度从0—5%即实现了流量的全程变化,这样的阀门是不能作为水力工况平衡调节使用的。 

  由于阀门理论特性曲线是在定压差下测试,而实际工况只要阀权度不为1则阀门在小开度下阀前后压差大,大开度时阀前后压差小,导至阀dG/dC值在小开度变大,在大开度时变小,使阀门实际工作曲线向快开方向偏移,阀权越小其偏移越大,对于直线特性的阀门由于实际性能的偏移会导致阀门的有效调节的开度空间变小,因此阀门的理论性曲线以下弦弧如等百分比特性为好。等百分比(对数)特性曲线阀门,在阀权度0.3—0.5时实际工作曲线可能接近直线特性。 

    1.2阀门的汽蚀振动 

  通常阀门在小开度情况下阀口的流速过高,在阀后会形成旺盛紊流的蜗旋区,蜗旋区核心压力很低,该处压力低于水温对应的饱和压力时水蒸汽的闪发会导致气水击现象:严重的噪章,阀门及管道的振动,阀门、管道、管支架的破坏。 

  防止这种事故的发生应首先在阀门流道设计上考虑阀塞和阀座在小开度时形成狭长的节流流道,约束旺盛紊流蜗旋的形成;其次选用阀门时尽量加大阀权度,以避免阀门在小开度下运行。另外,在不牵涉压力工况问题时尽量将平衡阀安装在水温较低的回水上。 

    2、自力式流量控制阀 

    2.1自力式控制阀工作原理 

  (1)孔板流量计——导阀——主阀原理。主阀前设置一个流量孔板,导阀感测、比较孔板前后压力差,如压力差大于设定压差,意味着流量超过设定流量,导阀控制主阀做关阀动作。如感测压差小于设定压差,则意味着流量小于设定流量,导阀控制主阀开阀动作。导阀上的设定压差可调,调大调小设定压差,可以调大调小设定流量。 

  由于孔板流量计的流量压差对应关系受到前流态影响极重,如果要求流量精度达到10%,则必须阀前有10d以上的直管段,而这一点工程实际中极难保障。另外这种阀出厂后的流量可调范围很小,在保持流量精度的前提下,流量可调比不会超过2:1。 

  (2)“Kv·=常数”原理,自由弹簧和感压膜构成阀门开关动力系统△P/S=εL 

  S—感膜工作面积,ε—弹簧的胡克系数,L—阀行程 

  由此可知阀门的每一个行程位置决定△P值的大小,如果阀行程位的Kv与成反比,则G=Kv·是恒定值。这一原理的阀最初做成流量不可调的流量限制器,近年生产的流量可调式一种是做成多管通道,通过堵管调整设定流量;另一种是用一手动阀改变自力阀Kv与行程的关系,但这种办法很难保证Kv与在每一调整位置的反比关系,造成调整位的流量控制精度不高。另外有的产品用波纹管制作感压膜和自由弹簧的一体化产品,由于不锈钢波纹管处在流动死区,在水中氯离子含量较高时,极易产生腐蚀。 

  (3)自力式压差控制阀与手动调节阀阀组原理。这种原理是现在国产流量控制阀最广泛采用的。手动调节阀的每一个开度位置对应一个Kv值,由自力式压差控制阀控制手动调节阀前的压差不变,则G=Kv·不变,改变流量时只需调整手动调节阀的Kv值。 

  这种阀的流量控制精度决定于压差控制阀精度,压差 

  △P=N/S 

  N——弹簧力 

  S——感压膜工作面积 

  弹簧力在自力阀的行程内会有变化,但使 

  H/△L=1/10 

  H——自力阀最大位移行程 

  △L——弹簧的预压缩量 

  则△P的变化仅为±5%,流量精度可达3%。 

  这咱自力式流量控制阀的缺点在于阀门有最小工作压差的要求,一般产品要求最小工作压差20KPa,如果安装在最不利回路上,势必要求循环泵多增加2米水柱的工作扬程,所以应采取近端安装,远端不安的办法。用户离热源距离大于供热半径的80%时就不宜安装这种自力式流量控制阀。 

  (4)用自力式压差控制阀直接控制流量 

  户内阻力系数S,在平均供热的前提下是不变值,户内设计流量G,△P=SG2,通过控制户内供回水压差,一样可以控制循环流量,调节控制压差就可调节循环流量。用这种办法调控流量,只是必须借助便携式流量测试仪器如超声波流量计。这种方式对于远端用户,阀门不会增加消耗压头。 

    2.2自力式流量控制阀的适用性 

  自力式流量控制阀在大型管网上应用可以使流量分配工作变得简单便捷。尤其多热源管网,热源切换运行时不会对用户流量产生影响。 

  但对于变流量运行的管网不可采用自力式流量控制阀。在热源主动变流量的情况下,近端回路维持流量不变,而远端回路流量会严重不足。在热用户主动变流量的情况下,用户主动调小流量时,自力式流量控制阀会开大阀门,尽量维护原流量,直到全开失效为止。用户主动调大流量时,自力式流量控制阀会关小阀门,直到全闭失效为止。亦即只有自力式流量控制阀失效,用户主动的流量要求才能实现。 

    3、自力式压差控制阀 

    3.1自力式压差控制阀的应用意义 



  (1)自力式压差控制阀消耗系统的富裕压头。 

  (2)自力式压差控制阀起到隔绝用户间流量变化互相干扰作用。 

  这两项功能有的业内人士认为散热器上的温控阀可以起作用,实际上如果让温控制阀产生这样的作用必然导致温控阀在小开度下工作,甚至于在振动工况下工作。这对温控阀是十分不利的,温控阀最初希望的作用仅限于利用自由热量,我们很多业内人士对其寄予的希望过大了。 

  (3)自力式压差控制阀起到隔绝用户流量变化互相干扰作用。 

    1、原工作点 

    2、用户主动调整流量后形成的工作点 

    3、循环水泵变速——压差阀动作形成工作点 

    4、循环水泵变速无压差阀作用的工作点 

  (4)对于电动控制的自动控制系统,隔绝各并联支路间调节的干扰,避免自控系统的多余动作提高自控系统稳定性、可靠性。 

  (5)起到特殊工况的限流作用。在起动供热和特殊严寒工况下用户的供热需求会超出热源的供热能力,自力式压差控制阀会有效的限制近端流量使远端用户达到预定的采暖效果。 

    3.2自力式压差控制阀选用参数。 

  (1)压差可调性 

  一般情况下设计上很难准确计算户内阻力,而户内阻力(在设计流量下)可能在0.01—0.03MPa间变化,因此自力式压差可调比至少应为1:3以上。 

  (2)流量系数Kv的最大值和最小值 

  最大流量系数是阀门全开的流量系数;最小流量系数为阀门全关位的漏过流量系数。这两阀门参数对阀门的应用选型是至关重要的,阀门供应商必须实测并公开这两个参数。 

  最大流量系数应能保证最小富裕压头下达到设计流量;最小流量系数应能保证最大富裕压头下达到调节工况可能的最小流量值。 

  (3)压差控制精度,应达到10%以保证流量精度达到5%。 

    3.3在分户控制未安装热量表的情况下,自力式压差控制阀同样会起到定流量分配作用。其调节方法只需调节控制压差流量达到设计流量。与自力式流量控制阀一样各分支流量调整互不干扰使流量调节可一次完成。 

  因此,在大多数实施分户控制的准备计量收费的工程中,也应采用自力式压差控制阀。在未计量收费前压差阀同样可以平衡分配流量,避免在计量表安装时,重新换阀门。

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